DE4028366A1 - Detector measuring magnetic field - contains magnetostrictive foil whosedimensional changes are detected capacitively, i.e. without attachingmeasurement transfer elements - Google Patents
Detector measuring magnetic field - contains magnetostrictive foil whosedimensional changes are detected capacitively, i.e. without attachingmeasurement transfer elementsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Detektor zur Messung eines Magnetfeldes, mit einer magnetostriktiven Folie, die im Magnetfeld ihre Abmessungen ändert. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Meßeinrichtung mit einem solchen Detektor.The invention relates to a detector for measuring a Magnetic field, with a magnetostrictive film, which in the Magnetic field changes its dimensions. Furthermore concerns the invention a measuring device with such Detector.
Ein derartiger Detektor ist in der Literaturstelle F. Bucholtz et al "Fiber Optic Magnetometers, SPIE Vol. 718, Fiber Optic and Laser Sensors IV (1986)", S. 128 bis 133 beschrieben. Bei solchen faseroptischen Magnetometern wird die Längenänderung des magnetostriktiven Materials auf eine Lichtleitfaser übertragen, die fest mit dem magnetostriktiven Material verbunden sein muß. Die bei Anlegen eines Magnetfeldes erfolgende Änderung der optischen Länge der Lichtleitfaser wird einem Interferometer gemessen. Als magnetostriktives Material wird eine dünne Folie, beispielsweise aus einem metallischen Glas, verwendet, um eine starke Entmagnetisierung und Wirbelströme zu vermeiden. Nachteilig ist bei einer solchen Anordnung die mechanische Belastung, welche die Lichtleitfaser auf die magnetostriktive Folie ausübt.Such a detector is in the literature F. Bucholtz et al "Fiber Optic Magnetometers, SPIE Vol. 718, Fiber Optic and Laser Sensors IV (1986) ", pp. 128 to 133 described. With such fiber optic magnetometers is the change in length of the magnetostrictive material transferred to an optical fiber that is fixed to the magnetostrictive material must be connected. The at Applying a magnetic field to change the optical length of the optical fiber is one Interferometer measured. As a magnetostrictive material becomes a thin film, for example from a metallic glass, used to be a strong Avoid demagnetization and eddy currents. The disadvantage of such an arrangement is that mechanical load, which the optical fiber on the magnetostrictive film.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Detektor der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem die Abmessungsänderung der magnetostriktiven Folie elektrisch ausgewertet wird, ohne daß an der Folie eine Lichtleitfaser oder ein Bauteil befestigt sein muß, das die Abmessungsänderung überträgt. The object of the invention is to provide a detector at the beginning to propose the type in which the Dimensional change of the magnetostrictive foil electrically is evaluated without a Optical fiber or a component that must be attached transfers the dimensional change.
Nach der Erfindung ist obige Aufgabe bei einem Detektor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Folie die eine Elektrode eines Kondensators bildet und dessen anderer Elektrode in einem Abstand gegenübersteht, wobei sich im Magnetfeld dieser Abstand und damit die Kapazität des Kondensators ändert.According to the invention, the above object is for a detector of the type mentioned in that the film which forms an electrode of a capacitor and its faces another electrode at a distance, where this distance and thus the capacity in the magnetic field of the capacitor changes.
Der Detektor ist in seinem Aufbau einfach. Insbesondere deswegen, weil mit der Folie kein Element mechanisch starr verbunden sein muß, das deren Abmessungsänderung zur Auswertung weiterüberträgt.The construction of the detector is simple. In particular because there is no mechanical element with the film must be rigidly connected, the change in dimension transmitted for evaluation.
Wird der Detektor in das zu messende Magnetfeld gebracht, dann ändert sich wegen der Abmessungsänderung der Folie der Abstand zwischen den beiden Elektroden des Kondensators. Die damit verbundene Kapazitätsänderung läßt sich in verschiedener Weise auswerten.If the detector is brought into the magnetic field to be measured, then changes due to the dimensional change of the film the distance between the two electrodes of the Capacitor. The associated change in capacity can be evaluated in different ways.
Die Folie muß zwar einen elektrischen Anschluß aufweisen. Über diesen müssen jedoch nicht die Abmessungsänderungen der Folie übertragen werden.The film must have an electrical connection. However, the dimensional changes do not have to go beyond this the slide are transferred.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die magnetostriktive Folie und die andere Elektrode kreiszylindrisch koaxial angeordnet. Im Magnetfeld ändert sich der Feldstärke entsprechend der Abstand zwischen den beiden kreiszylindrischen Elektroden, weil sich der Durchmesser der von der Folie gebildeten einen Elektrode ändert, wogegen der Durchmesser der anderen Elektrode gleich bleibt. Die damit verbundene Kapazitätsänderung wird ausgewertet. Sie ist ein Abbild der Magnetfeldstärke.In a preferred embodiment of the invention magnetostrictive film and the other electrode arranged circularly coaxially. Changes in the magnetic field the field strength corresponding to the distance between the two circular cylindrical electrodes because the Diameter of the one electrode formed by the film changes, while the diameter of the other electrode stays the same. The associated change in capacity is evaluated. It is an image of the Magnetic field strength.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die andere Elektrode auf einem nicht magnetischen, elektrisch isolierenden Kreiszylinder angeordnet, der vorzugsweise aus Glas besteht und auf den die andere Elektrode aufgedampft ist. The other electrode is an embodiment of the invention on a non-magnetic, electrically insulating Circular cylinder arranged, which is preferably made of glass exists and on which the other electrode is evaporated.
Es ist dadurch erreicht, daß die andere Elektrode gegenüber der von der magnetostriktiven Folie gebildeten Elektrode sehr starr angeordnet ist.It is achieved in that the other electrode compared to that formed by the magnetostrictive film Electrode is arranged very rigid.
Weitere Ausgestaltungen des Detektors und Meßeinrichtungen unter Verwendung des Detektors ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung zeigen:Further configurations of the detector and Measuring devices using the detector from the following description of the drawing. In the Show drawing:
Fig. 1 einen Detektor schematisch im Schnitt, Fig. 1 a detector schematically in section,
Fig. 2 den Detektor in einer Meßeinrichtung, Fig. 2 shows the detector in a measuring device,
Fig. 3 den Detektor in einer weiteren Meßeinrichtung und Fig. 3 shows the detector in a further measuring device and
Fig. 4 die in der Beschreibung verwendeten Formeln. Fig. 4 shows the formulas used in the description.
Ein Detektor (1) bildet einen Zylinderkondensator, der eine kreiszylindrische, äußere Elektrode (2) und eine kreiszylindrische, innere Elektrode (3) aufweist. Die Elektroden (2, 3) sind koaxial zur Zylinderachse (Z) angeordnet. Der Radius der inneren Elektrode (3) ist r1 . Der Radius der äußeren Elektrode (2) ist r2. Der mittlere Radius ist mit r bezeichnet. Die Elektroden (2, 3) stehen im Abstand (d). Die Länge des Zylinderkondensators ist l. Der Abstand (d) ist möglichst klein, beispielsweise beträgt er 0,1 mm. Die Länge (l) ist etwa gleich dem doppelten Radius (r) und beträgt beispielsweise 50 mm.A detector ( 1 ) forms a cylindrical capacitor which has a circular cylindrical, outer electrode ( 2 ) and a circular cylindrical, inner electrode ( 3 ). The electrodes ( 2 , 3 ) are arranged coaxially to the cylinder axis (Z). The radius of the inner electrode ( 3 ) is r 1 . The radius of the outer electrode ( 2 ) is r 2 . The middle radius is denoted by r. The electrodes ( 2 , 3 ) are at a distance (d). The length of the cylindrical capacitor is l. The distance (d) is as small as possible, for example 0.1 mm. The length (l) is approximately twice the radius (r) and is, for example, 50 mm.
Die innere Elektrode (3) ist als dünner Metallfilm auf einen hohlen Kreiszylinder (4) aufgedampft. Dieser besteht aus einem nicht metallischen, elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Glas.The inner electrode ( 3 ) is vapor-deposited on a hollow circular cylinder ( 4 ) as a thin metal film. This consists of a non-metallic, electrically insulating material, for example glass.
Die äußere Elektrode (2) ist von einer dünnen Folie mit einer Wandstärke von etwa 0,025 mm aus einem magnetostriktiven Material gebildet. Dieses ist vorzugsweise ein an sich bekanntes metallisches Glas, das eine hohe Magnetostriktion aufweist.The outer electrode ( 2 ) is formed from a thin film with a wall thickness of approximately 0.025 mm from a magnetostrictive material. This is preferably a metallic glass known per se, which has a high magnetostriction.
Die äußere Elektrode (2) ist mit einem elektrischen Anschluß (5) versehen. Die innere Elektrode (3) trägt einen elektrischen Anschluß (6).The outer electrode ( 2 ) is provided with an electrical connection ( 5 ). The inner electrode ( 3 ) carries an electrical connection ( 6 ).
Wird der Detektor (1) in ein Magnetfeld gebracht, dann dehnt sich die von der magnetostriktiven Folie gebildete äußere Elektrode (2) aus. Dadurch vergrößert sich der Abstand (d). Die Zunahme der Länge (l) der äußeren Elektrode (2) bleibt hier außer Betracht. Infolge der Zunahme des Abstandes (d) ändert sich die Kapazität (C) des beschriebenen Zylinderkondensators entsprechend. Für diese gilt Formel I (vgl. Fig. 4). Für die Änderung der Kapazität (dC) gilt bei einer kleinen Änderung des Abstandes (d) dementsprechend die Formel II.If the detector ( 1 ) is brought into a magnetic field, then the outer electrode ( 2 ) formed by the magnetostrictive film expands. This increases the distance (d). The increase in the length (l) of the outer electrode ( 2 ) is not taken into account here. As a result of the increase in the distance (d), the capacitance (C) of the described cylindrical capacitor changes accordingly. Formula I applies to these (cf. FIG. 4). With a small change in the distance (d), the formula II accordingly applies to the change in the capacitance (dC).
Wird der Detektor in ein sinusförmiges magnetisches Wechselfeld gebracht, dann ergibt sich die zeitbezogene Kapazitätsänderung (dc/dt) aus der Formel III.The detector turns into a sinusoidal magnetic Brought alternating field, then there is the time-related Capacity change (dc / dt) from formula III.
Ein in Richtung der Zylinderachse (Z) wirksames Magnetfeld (H) führt zu einer relativen Dehnung (ε) in Richtung der Zylinderachse (Z) nach der Formel IV. Die Dehnung in der Radialrichtung ergibt sich mit der Querkontraktionszahl (µ), die etwa 0,2 beträgt aus der Formel V. Hieraus folgt die Änderung des Abstandes nach der Formel VI.An effective one in the direction of the cylinder axis (Z) Magnetic field (H) leads to a relative expansion (ε) in Direction of the cylinder axis (Z) according to formula IV Elongation in the radial direction results with the Cross-contraction number (µ), which is approximately 0.2 from the Formula V. From this follows the change in distance of formula VI.
Nach Fig. 2 ist eine Meßeinrichtung vorgesehen, in der zwischen die Anschlüsse (5, 6) in Reihenschaltung ein Widerstand (R) und eine Gleichspannungsquelle (Uo) gelegt sind. Die Gleichspannung Uo beträgt beispielsweise 100 V bis 500 V. Der Widerstand (R) liegt beispielsweise zwischen 1 MOhm und 100 MOhm. Am Widerstand (R) wird eine Meßspannung U (t) abgegriffen. Diese Meßschaltung eignet sich für Fälle, in denen die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes hinreichend groß ist, beispielsweise über 100 Hz liegt. Bei dieser Schaltung wird die am Widerstand (R) durch den Ladestrom des Kondensators hervorgerufene Spannung U (t) gemessen.According to FIG. 2, a measuring device is provided in between the terminals (5, 6), a resistor (R) and a DC voltage source (U o) are placed in series. The DC voltage U o is, for example, 100 V to 500 V. The resistance (R) is, for example, between 1 MOhm and 100 MOhm. A measuring voltage U (t) is tapped at the resistor (R). This measuring circuit is suitable for cases in which the frequency of the alternating magnetic field is sufficiently high, for example above 100 Hz. In this circuit, the voltage U (t) caused by the charging current of the capacitor is measured across the resistor (R).
Die Spannung U (t) folgt der Formel VII, in der die Formel III berücksichtigt ist.The voltage U (t) follows the formula VII, in which the formula III is taken into account.
Durch das thermische Rauschen des Widerstands (R) wird die kleinste, noch nachweisbare Änderung des Abstandes (d) bestimmt. Diese ist in Formel VIII dargestellt.Due to the thermal noise of the resistor (R) the smallest, still detectable change in distance (d) certainly. This is shown in Formula VIII.
Aus den Formeln VIII und VI ergibt sich die bei der Schaltung nach Fig. 2 noch erfaßbare Änderung der Magnetfeldstärke entsprechend Formel IX.From the formulas VIII and VI, the change in the magnetic field strength corresponding to formula IX, which can still be detected in the circuit according to FIG. 2, results.
Zur Auswertung der Formel IX kann davon ausgegangen werden, daß das genannte metallische Glas, aus dem die äußere Folie (2) besteht, im optimalen Arbeitspunkt eine Magnetostriktion bis dε/dH = 10-5/Oe aufweist. Setzt man weiterhin in die Formel IX die unter X in Fig. 4 aufgeführten Werte ein, dann ergibt sich die kleinste, noch nachweisbare Magnetfeldstärke Hmin mit unter XI in Fig. 4 angegebenen Werten. Diese Werte liegen wesentlich günstiger als die mit faseroptischen Interferometern erreichbaren Werte. Die unter XI angegebenen Werte zeigen eine höhere Empfindlichkeit als die bei faseroptischen Interferometern bisher erreichten Werte.For the evaluation of the formula IX it can be assumed that the said metallic glass, from which the outer film ( 2 ) is made, has a magnetostriction up to dε / dH = 10 -5 / Oe at the optimal operating point. If the values listed under X in FIG. 4 are also used in formula IX, the smallest, still detectable magnetic field strength Hmin results with values given under XI in FIG. 4. These values are much more favorable than the values that can be achieved with fiber-optic interferometers. The values given under XI show a higher sensitivity than the values previously achieved with fiber-optic interferometers.
In Fällen, in denen statische Magnetfelder oder sehr niederfrequente Magnetfelder, beispielsweise unter 100 Hz, erfaßt werden sollen, kann die Änderung der Kapazität (C) des Detektors (1) über eine Kapazitätsmeßbrücke (7) erfolgen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.In cases in which static magnetic fields or very low-frequency magnetic fields, for example below 100 Hz, are to be detected, the capacitance (C) of the detector ( 1 ) can be changed via a capacitance measuring bridge ( 7 ), as is shown in FIG. 3 .
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